Физика нейтрино

(Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964).

Все семейство нейтрино состоящее из электронного, мюонного, таонного

нейтрино и соответствующих антинейтрино относится к классу лептонов.

Класс лептонов (от греческого "мелкий, легкий") включает также электрон,

позитрон и мюоны обоих знаков. Заряженные лептоны участвуют в

электромагнитном и слабом взаимодействиях, нейтрино - только в слабом.

Для частиц, входящих в класс лептонов, введено правило, получившее

название закона сохранения лептонного заряда (основополагающие работы

принадлежат Я.Б. Зельдовичу, Е. Конопинскому и Х. Махмуду). Различие

между тремя типами нейтрино описывается тремя сохраняющимися (или

приближенно сохраняющимся) лептонными зарядами: электронным le, мюон- ным

l[pic] и таонным l[pic].

- 31 -

[pic]е [pic]e е- e+ [pic][pic]

[pic][pic] [pic]+ [pic]- [pic][pic] [pic][pic][pic][pic]

[pic]- [pic]+

le, 1 -1 1 -1 0 0 0

0 0 0 0 0

l[pic] 0 0 0 0 1 -1 1

-1 0 0 0 0

l[pic] 0 0 0 0 0 0

0 0 1 -1 1 -1

Для фотонов и адронов значения всех лептонных зарядов равны

0.Считается, что во всех процессах сохраняется неизменной сумма

лептонных зарядов. Например:

n [pic] p + e- +[pic]е[pic], (le, = 0 - 0 + 1 - 1).

Процессы распада мюона на позитрон и [pic]- квант (8) или на

электрон и два позитрона (9)

запрещены новым законом. В этом смысле он подобен закону сохранения

электрического заряда. Однако между двумя зарядами, электрическим и

лептонным есть существенное отличие: первый определяет степень участия

частицы в электромагнитных процессах, второй с взаимодействием лептонов

непосредственно не связан.

Внутри одной группы частиц разные лептонные заряды соответствуют

дираковскому подходу - частица и анитичастича отличаются знаком лептонного

заряда, и в реакциях их нельзя заменять одну другой. Введение лептонных

зарядов запрещает например, замену [pic]е на [pic][pic], т.е. переходы

между двумя группами лептонов. Однако существуют теоретические

обоснования для гипотезы о том, что закон сохранения лептонного заряда

является приближенным и, в частности, возможны взаимные переходы

различных типов нейтрино друг в друга - нейтринных осцилляций.

Впервые об осцилляциях говорилось в работах Б.М. Понтекорво в 1957

- 1958 гг., но идея была встречена без особого энтузиазма. Со временем

положение изменилось с открытием массы нейтрино и парадоксом солнечных

нейтрино, который будет рассмотрен ниже. Различные эксперименты,

проведенные для подтверждения или опровержения этого факта, дают пока

противоречивые результаты, от существования осцилляций (группа физиков

работавших во Франции, в Буже), до их отсутствия (группа Р. Мессбауэра).

Ответ на этот вопрос - дело ближайшего будущего.

В заключение важно отметить, что вопрос о числе типов нейтрино

остается открытым. Возможно, будут открыты еще и другие типы нейтрино.

- 32 -

Как уже отмечалось, нейтрино участвует только в электрослабом

взаи-действии. В 1979 г. три физика-теоретика С. Вайнберг, А. Салам и

Ш.Л. Глэшоу - были удостоены Нобелевской премии за создание единой

теории электромагнитных и слабых взаимодействий.

- 33 -

5. ДВОЙНОЙ [pic] - РАСПАД.

Еще одним интереснейшим процессом, связанным с нейтрино, является

двойной [pic] - распад. Существование двойного [pic] - распада

было предсказано чуть позже (1935 г.), чем существование нейтрино.

Интерес к нему то почти совсем затухал, то вспыхивал с новой силой.

Сейчас мы проходим через очередной максимум. Около десяти групп в

различных странах мира заняты поисками двойного [pic] - распада.

При обычном [pic] - распаде в ядре A (Z,N) один нейтрон

превращается в протон, ядро переходит в A (Z+1, N-1), испуская электрон и

антинейтрино.

В достаточно редких

случаях оказывается энергетически выгоден двойной [pic] - распад. При

нем переход выглядит следующим образом: A (Z,N) [pic] A (Z+2, N-

2). Он происходит непосредственно между этими ядрами, если энергия

промежуточного ядра А (Z+1, N-1) выше, чем у A (Z, N) (рис 4).

Рис. 4. Энергетические уровни трех ядер. Ядро Z, N способно испытывать

двойной [pic]- распад.

Из ядра, вылетают сразу два электрона. Встает вопрос: вылетают ли

при этом антинейтрино.

Действительно, превращение двух нейтронов в два протона может про-

исходить независимо:

- 34 -

n [pic] p + e- + [pic]e

n [pic] p + е- + [pic]e

двухнейтринный

двойной [pic] - распад

2n [pic]2p + 2e- +2[pic]e

А (Z,N) [pic] A (Z+2, N-2) + 2e- + 2[pic]e

Если же предположить, что [pic]e тождественно [pic]е , то этот

процесс может идти независимо. Нейтрино, испускаемое при распаде

одного нейтрона, индуцирует распад второго:

n [pic] p + e- + [pic]e

n + [pic]е [pic] p + е-

Безнейтринный двойной

[pic]- распад

2n [pic] 2p + 2e-

A (Z, N) [pic] A (Z+2, N-2) + 2e-

Очевидно, что в безнейтринном двойном [pic] - распаде нарушается

закон охранения лептонного заряда, и он может происходить только при

неполной поляризации нейтрино. А неполная поляризация связана с конечной

массой. Обнаружение этого процесса принесло бы очень интересные

результаты, поэтому так много сил было затрачено на его поиски.

Сопоставляя между собой реакции, можно увидеть, как в экспериментах

отличить двухнейтринный [pic]- распад от безнейтринного. В последнем

случае суммарная энергия электронов будет всегда постоянной - она

определяется только разностью энергий основных состояний ядер A (Z,N) и A

(Z+2, N-2). А в первом случае электроны обладают непрерывным спектром

энергий, поскольку излучаются еще и два антинейтрино.

Если лептонный заряд сохраняется, то безнейтринный распад

запрещен, а вот если [pic]е и [pic]e тождественны, то теория

предсказывает, что этот тип распада должен происходить с существенно

большей вероятностью, чем двухнейтринный.

Опыты Дэвиса и другие эксперименты говорят о том, что сильного

нарушения закона сохранения лептонного заряда и значительной деполяризации

нейтрино ожидать нельзя. Можно надеяться обнаружить

- 35 -

только слабый эффект. Соответственно этому безнейтринный двойной[pic]

-распад сильно заторможен по сравнению со случаем тождества электронных

нейтрино и антинейтрино, и вероятность его может стать равной или меньшей,

чем вероятность двухнейтринного процесса (который идет всегда, когда это

энергетически возможно).

Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить безнейтринный процесс,

идущий со временем жизни 1021 - 1022 лет. (В области Т1/2< 1021 лет его

уже не обнаружили.) А это значит, что в 1 грамме исходного вещества

может происходить 1 распад за несколько лет. Как зарегистрировать такие

активности?

Есть два способа, принципиально отличающиеся друг от друга. Пер-

вый, косвенный, носит название геологического. В нем исходным матери- алом

является минерал, содержащий изотоп, способный претерпевать 2[pic]-

распад (Z,N). Физикам необходимо обнаружить в этом минерале атомы продукта

распада (Z+2, N-2), накопившиеся там за миллиарды лет. Чтобы это сделать,

надо, чтобы дочернее вещество возможно легче отделялось от материнского.

Такому требованию удовлетворяют инертные газы, поэтому в геологических

экспериментах исследовались переходы 128Te [pic] 128Xe, 130Te [pic]

130Xe, 82Se [pic] 82Kr.

Расскажем об одном из опытов, которые провела группа Т. Кирстена

(США). Они взяли образцы теллуровой руды из глубинной шахты в Колорадо,

чтобы иметь дело с веществом, подвергшимся как можно меньшему

воздействию космических лучей. Затем несколькими методами определило и

возраст образца.

Он оказался равным около 1,3 млрд. лет. Следующий шаг - измельчение

образца, выделение из него газов и исследование их на масс

спектрографе. При определении изотопного состава Xe выяснилось, что

содержание изотопа 130Xe в десятки раз превышает обычное его содержание для

атмосферного ксенона. Авторы рассмотрели все возможные процессы и

реакции, которые могли бы привести к аномальному повышению концентрации

130Xe, и пришли к выводу, что, единственным разумным объяснением его

избытка, остается 2[pic]-распад. Проанализировав возможные потери газа

за период существования образца, они определили период полураспада

теллура-130: Т1/2 130Te = (2,60[pic]0,28)*1021 лет. Другие

исследовательские группы дали близкие цифры.

Существование двойного [pic]- распада было подтверждено, но

какого именно - двухнейтринного или очень подавленного

безнейтринного, - этого

- 36 -

опыты пока показать не могли. Вопрос о механизме распада в геологических

экспериментах остается открытым.

Ответ на него мог быть получен только в прямых экспериментах (второй

способ), в которых наблюдались продукты распада. Как уже отмечалось, если

бы сумма энергий двух зарегистрированных электронов была постоянной и

равной энергии, выделяемой при распаде, это указывало бы на существование

безнейтринного процесса и нарушение закона сохранения лептонного заряда.

Прямые опыты проводились с самыми различными типами детекторов: камерой

Вильсона, фотоэмульсиями, искровой камерой, сцинтилляционными и

полупроводниковыми счетчиками.

Наиболее интересными являются работы миланской группы (группы

Фиорини), в Международной лаборатории космических лучей, проведенные с

использованием полупроводникового счетчика для исследования перехода 76Ge

[pic] 76Se. (Рис. 5).

Основной частью полупроводникового счетчика является p - n переход.

Свободных электронов здесь мало и в отсутствие ионизирующего излучения

течет только малый тепловой ток. Тем меньший, чем больше сопротивление

полупроводника, которое зависит от чистоты материала и от температуры

кристалла. При прохождении заряженной частицы, она ионизирует атомы и в p -

n - переходе появляются свободные заряды. Поле "растягивает" их в

разные стороны, и возникающий при этом электрический сигнал может быть

зарегистрирован. Самым привлекательным свойством полупроводниковых

счетчиков является возможность очень точно определять энергию, потерянную

частицей в области p - n перехода, т.е. хорошее энергетическое разрешение.

Основной недостаток таких детекторов - малое количество вещества в

чувствительном объеме.

Рис.5. Схема установки используемой лионской группой.

- 37 -

Под высочайшим из альпийских пиков - Монбланом - проложен туннель

длиной почти двенадцать километров, соединяющий Италию и Францию. На

расстоянии четырех километром от итальянского выхода из туннеля рас-

положена Лаборатория космических лучей. Сверху ее защищает около двух

километров горных пород или около 4000 метров водного эквивалента.

Такая мощная защита в миллионы раз ослабляет поток космических

мюо- нов.

Внешняя защита - парафин - замедляет быстрые нейтроны, рождающиеся

при взаимодействии мюонов с веществом или связанные с распадом

естественных радиоактивных элементов. Дальше идет слой кадмия - "абсолютно

черный", т.е. полностью поглощающий медленные нейтроны. Против гамма -

квантов ведет борьбу защита из свинца. Сначала слой обычного свинца, но

в нем самом могут быть загрязнения от примесей урана или тория. Кроме

того, с развитием атомной промышленности и атомных испытаний многие

материалы оказались "зараженными" радиоактивностью. Для человека эта

радиоактивность совершенно не заметна - она в сотни и тысячи раз меньше

естественного фона, но для таких низкофоновых установок она может оказаться

опасной. Поэтому внутренний слой свинца специальный - с низким уровнем

радиоактивности. Последний слой пассивной защиты - слой многократно

очищенной перегонкой ртути. И, наконец, сердце установки - германиевый

детектор.

Через хладопровод низкая температура от дюара с жидким азотом

передавалась на кристалл германия. Этот кристалл выполнял двоякую роль. С

одной стороны, он служил детектором образующихся электронов, а с другой

- их источником. Дело в том, что в природном германии содержится около

7,5 % германия с атомным весом 76. Он может переходить в селен-76 с

излучением двух электронов (в случае безнейтринного распада их суммарная

энергия равна 2МэВ).

Для опытов был выращен уникальный по величине и чистоте кристалл

объемом 68 см3. Он обладал великолепным энергетическим разрешением. В своих

работах группа Фиорини приводит энергетический спектр зарегистрированных

событий - многочисленные пики от различных радиоактивных элементов. Но в

области 2 МэВ - там, где на равномерное распределение фоновых импульсов

должен был наложиться "пик" от двух электронов с суммарной энергией 2,045

МэВ при общем времени наблюдения в 187 суток, никаких пиков

не наблюдалось. Это дало возможность

- 38 -

утверждать, что если двойной безнейтринный распад и происходит, то с

временем жизни, превышающим 5 * 1021 лет.

К каким же выводам это приводит?

Как уже отмечалось, на безнейтринный двойной [pic]- распад может

быть наложен двойной запрет: законом сохранения лептонного заряда и полной

поляризацией нейтрино (двухкомпонентной теорией).

Предположим, что лептонный заряд не сохраняется, и все отличие

[pic]е и [pic]e только в их поляризации. Тогда существование малой массы

нейтрино могло бы внести деполяризацию и обусловить малую, но не нулевую

вероятность безнейтринного [pic] - распада. Какой минимальной массе

соответствует Т1/2 < 5*1021 лет? Теоретики оценивают ее весьма

приближенно, как ~10 эВ. Это значение находиться как раз в наиболее

"горячей" области (результаты группы ИТЭФ дают значения 14 - 26 эВ).

Эксперименты по поиску безнейтринного двойного [pic] - распада

продолжаются.

- 39 -

6. ЗЕМНЫЕ И КОСМИЧЕСКИЕ НЕЙТРИНО

Мы все время говорили об искусственных, созданных руками человека

источниках нейтрино. В тоже время существуют многочисленные естественные

источники : нейтринное излучение земных пород, космические и солнечные

нейтрино и т.п.

В глубинах Земли и на ее поверхности рассеяны радиоактивные

элементы, такие, как, например, уран, торий и продукты их распада. Часть

этих элементов испытывает[pic] - распады, при которых возникает

антинейтринное излучение. Оно проникает сквозь толщу пород и несет

интересную информацию о содержании недр нашей планеты. Увы, регистрация

земных и [pic]e на сегодняшний день - технически невыполнимая задача.

Даже оптимистические оценки величины их полного потока, сделанные на

основании теплового баланса Земли, показывают, что этот поток на четыре,

пять порядков меньше, чем от реактора. К тому же основная часть земных

антинейтрино имеет совсем малую энергию, много ниже порога большинства

обратных реакций. Если воспользоваться для их регистрации таким

классическим процессом, как и [pic]e + p [pic] n + e+, то

понадобиться 1000 т жидкого осциллятора, чтобы земные антинейтрино

вызывали хотя бы одно событие в сутки (опять-таки при оптимистических

оценках). Выделить это событие из фоновых излучений пока не представляется

возможным.

Землю бомбардируют и атмосферные нейтрино, точнее, нейтрино от

космических лучей. Происхождение их следующее. Быстрые космические

протоны, врываясь в земную атмосферу, взаимодействуют с ядрами и рождают

потоки [pic]- и К - мезонов. Последние распадаются в основном на мюоны и

мюонные нейтрино. Продукты распада наследуют энергию мезонов, которая может

достигать сотен гигаэлектроновольт. А чем больше энергия нейтрино, тем

больше вероятность его взаимодействия с веществом, в результате которого

рождается мюон.

Теперь представим себе, что огромная толща вещества поглотит все

космическое излучение, все частицы, кроме нейтрино. Они проникнут

сквозь это вещество и обнаружат себя потоком сопутствующих мюонов,

рожденных в поверхностном слое и сумевшем выти наружу. В качестве этой

толщи вещества можно использовать нашу Землю,

возможно, даже

- 40 -

целиком земной шар. При этом надо регистрировать мюоны, идущие не к

Земле, а из ее глубины (рис. 6).

Рис. 6. Возникновение и регистрация космических нейтрино: А – точка

рождения пиона, В – точка распада пиона и рождения мюона и нейтрино, С –

точка взаимодействия нейтрино с веществом и рождения мюона, D – область

регистрации мюона.

Предложил исследовать космические нейтрино по потоку мюонов М.А.

Марков (1960 г.). В своей книге "Нейтрино" (1964 г.) он писал:

"Все известные частицы в космических лучах, кроме нейтрино,

поглощаются на пути десятка километров вещества и, таким образом,

полностью экранируются планетой, если глубина, на которую помещена

регистрирующая установка, конечно, достаточна, чтобы можно было пренебречь

маловероятным процессом рассеяния [pic] - мезонов большой энергии "назад",

которое в принципе способно имитировать искомый эффект.

Другая, может быть, наиболее существенная особенность проявления

конкретного эффекта [pic] + нуклон [pic] нуклон' + [pic] в условиях

космического

- 41 -

эксперимента заключается в том, что регистрирующая установка собирает

наблюдаемый эффект с грандиозных толщин вещества, лежащих под уста-

новкой...

Третья существенная особенность космического эксперимента

заключается в принципиальной возможности использования в условиях

хорошего экранирования подземной установки больших площадей детектирующих

устройств, порядка нескольких сотен квадратных метров. Эти

перечисленные своеобразные особенности космического эксперимента, как

показывают детальные оценки, делают в принципе его возможным, хотя и трудно

осуществимым.

Трудность его осуществления скорее чисто психологическая: физики,

работающие на ускорителях, уже привыкли к индустриальному характеру

современного эксперимента..."

Призыв к экспериментаторам был услышан. Всего через год после вы-

хода книги были зарегистрированы первые космические нейтрино.

Исследования проводились практически одновременно в двух глубочайших

шахтах Южной Африки и Индии. Группа, работавшая под руководством Ф.

Рейнеса в Южной Африке с октября 1964 г. по август 1967 г., сообщила о

регистрации 40 нейтринных событий. Второй установкой (Индия) к концу 1968

г. было зарегистрировано 9 событий.

В 70-х годах в излучение космических нейтрино включилась Баксанская

нейтринная обсерватория АН СССР. На Северном Кавказе, в Баксанском ущелье

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5